DE1275175B - System for keeping a given output voltage of a fuel element constant - Google Patents
System for keeping a given output voltage of a fuel element constantInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
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AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
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27. November 1962November 27, 1962
14. August 1968August 14, 1968
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Ausgangsspannung eines Brennstoffelementes durch Steuerung der Zirkulation des Wasserstoffes, der dem Brennstoffelement im Überschuß zugeführt wird, mit einem Abscheider, in welchem die Reaktionsprodukte in Form von Wasser von dem überschüssigen Wasserstoff getrennt werden, und einer Pumpe, die die Zirkulation des Wasserstoffes in der Anlage aufrechterhält und den zirkulierenden überschüssigen Wasserstoff wieder in die Wasserstoffversorgungsleitung zurückführt. The invention relates to a system for keeping a predetermined output voltage constant a fuel element by controlling the circulation of hydrogen which is supplied in excess to the fuel element with a Separator in which the reaction products in the form of water from the excess hydrogen and a pump that maintains the circulation of the hydrogen in the system and returns the circulating excess hydrogen to the hydrogen supply line.
Es sind bereits Anlagen zum Betrieb von Brennstoffelementen bekannt, deren Brennstoffzirkulation zum Abführen der Reaktionsprodukte (Wasser) intermittierend unterbrochen wird, nämlich immer dann, wenn der Füllstand im Kühler eine bestimmte Höhe überschreitet. Wenn dieser Füllstand erreicht ist, können keine Reaktionsprodukte aus dem Element mehr abgeführt werden, und infolge der Volumenzunahme in dem Element wächst der Druck in dem Element, wodurch die Entleerung des Kühlers hervorgerufen wird und das Spiel wieder von neuem beginnt. Dabei ist es jedoch nicht möglich, die Elementtemperatur und damit die Ausgangsspannung des Elementes konstant zu halten, die Konstanthaltung der Ausgangsspannung ist jedoch bei den meisten Anwendungsarten von Brennstoffelementen von größter Wichtigkeit. Bei der bekannten Anlage ist die während jedes Spiels sich wiederholende Volumenzunähme jeweils mit einem unerwünschten und lästigen Abfall der Ausgangsspannung begleitet.Systems for operating fuel elements are already known, their fuel circulation is interrupted intermittently to remove the reaction products (water), namely always when the level in the cooler exceeds a certain level. When this level is reached, you can no more reaction products are discharged from the element, and as a result of the increase in volume in the element, the pressure in the element increases, causing the radiator to drain and the game starts all over again. However, it is not possible to determine the element temperature and thus to keep the output voltage of the element constant, keeping the output voltage constant however, is of paramount importance in most fuel element applications. In the known system is the during each game repetitive volume increases each with an undesirable and annoying one Accompanied drop in output voltage.
Des weiteren sind Betriebsanlagen für Brennstoffelemente vorgeschlagen worden, bei denen zur Kühlung des Brennstoffelementes die Wasserstoffzirkulation jeweils dann in Betrieb genommen wird, wenn die Temperatur in dem Brennstoffelement einen bestimmten Wert erreicht hat. Durch diese Anlagen wird zwar eine wirkungsvolle Regelung der Temperatur in dem Brennstoffelement erreicht, wobei jedoch der Nachteil in Kauf genommen werden muß, daß dem Element mehr Wasserdampf entnommen wird, als unter normalen Arbeitsverhältnissen gebildet wird, welches durch eine zusätzliche Vorrichtung wieder zugeführt werden muß. Durch diese zusätzliche Vorrichtung wird die gesamte Anlage ebenfalls bedeutend aufwendiger gestaltet.Furthermore, operating systems for fuel elements have been proposed in which for cooling of the fuel element, the hydrogen circulation is started when the temperature in the fuel element has reached a certain value. Through these plants an effective control of the temperature in the fuel element is achieved, however the disadvantage must be accepted that more water vapor is extracted from the element, than is formed under normal working conditions, which by means of an additional device must be supplied. This additional device also makes the entire plant significant more elaborately designed.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die elektrische Ausgangsspannung des Elementes durch Regelung der Elementtemperatur konstant zu halten.The object of the invention is to regulate the electrical output voltage of the element to keep the element temperature constant.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Kühlung des Wasserstoffes und des
Anlage zur Konstanthaltung einer vorgegebenen
Ausgangsspannung eines BrennstoffelementesThis object is achieved according to the invention in that for cooling the hydrogen and for keeping the system constant a predetermined
Output voltage of a fuel element
Anmelder:Applicant:
United Aircraft Corporation,United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)East Hartford, Conn. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
6000 Frankfurt, Parkstr. 136000 Frankfurt, Parkstr. 13th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
George H. Davis,George H. Davis,
Windsor Locks, Conn. (V. St. A.)Windsor Locks, Conn. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. November 1961
(155 949)Claimed priority:
V. St. ν. America November 30, 1961
(155 949)
Wasserdampfes zwischen dem Brennstoffelement und dem Abscheider ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, daß die Pumpe und die Wasserstoffversorgungsleitung durch eine Rückleitung für den überschüssigen Wasserstoff verbunden sind, die durch den Wärmeaustauscher hindurchgeht, und daß um den Wärmeaustauscher zwischen der Ausgangsseite der Pumpe und der Wasserstoffversorgungsleitung eine Umwegleitung herumführt, in die ein Regelventil eingesetzt ist, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird.A heat exchanger is arranged for water vapor between the fuel element and the separator is that the pump and the hydrogen supply line through a return line for the excess Hydrogen are connected, which passes through the heat exchanger, and that around the Heat exchanger between the output side of the pump and the hydrogen supply line a Detour line leads around, in which a control valve is inserted, which means the difference between the actual Element output voltage and a reference voltage is controlled.
Bei Anwendung des Elementes unter hohen Schwankungen der Umgebungstemperatur kann zur Konstanthaltung der Temperatur des Elementes und damit die Ausgangsspannung zusätzlich zu der Regelung der Temperatur des zurückgeführten Wasserstoffes auch noch die Menge des zurückgeführten Wasserstoffes geregelt werden. Um die Regelung durchzuführen, kann zur erneuten Kühlung zwischen dem Wärmetauscher und dem Abscheider ein Kühler angeordnet sein, wobei eine Umgehungsleitung die Kühlereingangsseite mit der Rückleitung verbindet, deren Durchsatz durch ein Regelventil eingestellt wird, das mittels der Differenz zwischen der tatsächlichen Elementausgangsspannung und einer Bezugsspannung gesteuert wird. If the element is used under high fluctuations in the ambient temperature, it can be kept constant the temperature of the element and thus the output voltage in addition to the regulation the temperature of the returned hydrogen also the amount of the returned Hydrogen can be regulated. In order to carry out the regulation, you can switch between for renewed cooling the heat exchanger and the separator, a cooler can be arranged, with a bypass line connects the cooler inlet side with the return line, the flow rate of which is set by a control valve which is controlled by means of the difference between the actual element output voltage and a reference voltage.
809 590/163809 590/163
Im folgenden soll die Erfindung an Hand einer Ausführungsform in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben werden.In the following, the invention will be based on an embodiment in conjunction with the drawing to be discribed.
Die Figur ist ein Schaubild der Anlage.The figure is a diagram of the facility.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, besitzt das Brennstofielement 2 Ausgangsleitungen 4, über die elektrische Leistung aus dem Element abgenommen wird. Wasserstoff wird dem Brennstoffelement von einer Quelle 6 über einen Druckregler 8 und eine Versorgungsleitung 10 zugeführt. Ähnlich wird dem Brennstofielement ein Oxydationsmittel unter Druck aus der Quelle 12 durch einen Druckregler 14 und eine Versorgungsleitung 16 zugeführt.As shown in the drawing, the fuel element has 2 output lines 4 through which electrical power is drawn from the element. Hydrogen is supplied to the fuel element from a source 6 via a pressure regulator 8 and a supply line 10 supplied. Similarly, the fuel element is exposed to an oxidant under pressure the source 12 through a pressure regulator 14 and a supply line 16.
Der Druck innerhalb des Elementes wird durch einen Druckregler 18 überwacht, der mit dem EIement über eine Leitung 20 verbunden ist. Dieser Druckregler arbeitet so, daß er ein inertes Gas aus einer Versorgungsquelle 21 unter einem Regeldruck den Reglern 8 und 14 über Leitungen 22 zuführt. Die Anordnung ist solcher Art, daß die Zufuhr von Wasserstoff und Oxydationsmittel durch die Versorgungsleitungen 10 und 16 unter einem Druck erfolgt, der etwas höher als der Druck des Elektrolyten ist. Auf diese Weise ist der Zufluß von Wasserstoff und Oxy-Während des Betriebs arbeitet das Brennstoffelement normalerweise so, daß der Wasserdampf mit dem überschüssigen Wasserstoff gemischt ist, zur Kühlung durch den Wärmeaustauscher 26 und zur weiteren Kühlung durch den Kühler 34 strömt, wo sich der Wasserdampf auf Grund dieser Kühlung kondensiert. Sowie die Pumpe die Produkte aus dem Kühler entfernt, wird das Wasser in dem Abscheider 38 abgeschieden, und der überschüssige Wasserstoff strömt durch die Ventile 48 und 52 sowie durch die Rückleitung 54 dem Brennstoffelement wieder über die Versorgungsleitung 10 zu.The pressure within the element is monitored by a pressure regulator 18 which is connected to the EIement is connected via a line 20. This pressure regulator works so that it is an inert gas a supply source 21 supplies the regulators 8 and 14 via lines 22 under a regulating pressure. the Arrangement is such that the supply of hydrogen and oxidizing agent through the supply lines 10 and 16 takes place under a pressure which is slightly higher than the pressure of the electrolyte. on this way is the influx of hydrogen and oxy- During operation the fuel element works normally so that the water vapor is mixed with the excess hydrogen, for Cooling flows through the heat exchanger 26 and for further cooling through the cooler 34, where the water vapor condenses due to this cooling. As well as the pump the products from the Removed cooler, the water is separated in the separator 38, and the excess hydrogen flows through the valves 48 and 52 and through the return line 54 to the fuel element again via the supply line 10 to.
Der Durchfluß durch das System wird als Funktion der normalen oder der gewünschten elektrischen Zellenausgangsspannung geregelt. Um das durchzuführen, wird die Ausgangsspannung durch einen spannungsempfindlichen Verstärker 64 gemessen, der über Leitungen 66 mit den Ausgangsleitungen 4 verbunden ist. Diese Verstärker- und Regelstufe vergleicht die tatsächlich anliegende Ausgangsspannung mit der gewünschten Brennstoffelementausgangsspannung. Tritt zwischen diesen beiden Größen eine Abweichung auf, sorgt diese Stufe für eine Nachstellung der Ventile 48 und 52. Die Nachstellung des VentilsThe flow through the system will be a function of normal or desired electrical Cell output voltage regulated. To do this, the output voltage is set by a voltage-sensitive amplifier 64 measured, which is connected to output lines 4 via lines 66 is. This amplifier and control stage compares the actually applied output voltage with the desired fuel element output voltage. If there is a discrepancy between these two sizes on, this stage ensures an adjustment of the valves 48 and 52. The adjustment of the valve
dationsmittel in das Element hinein sichergestellt, und 25 48 bewirkt, daß die Menge des überschüssigen Wasdationsmittel ensured in the element, and 25 48 causes the amount of excess water
serstoffes, die dem Brennstoffelement wieder zugeführt wird, geregelt wird. Dadurch wird die Abfuhr des Wasserdampfes aus dem Brennstoffelement heraus überwacht. Ein Nachstellen des Ventils 52 regelt die Menge des überschüssigen Wasserstoffes, die durch den Wärmeaustauscher 26 hindurchströmt. Dadurch wird die Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes in der Versorgungsleitung 10 und damit wiederum die Brennstoffelementtemperatur geregelt.hydrogen, which is fed back to the fuel element, is regulated. This causes the rejection the water vapor monitored out of the fuel element. Adjusting the valve 52 regulates the amount of excess hydrogen flowing through the heat exchanger 26. Through this the temperature of the excess hydrogen in the supply line 10 and thus in turn, the fuel element temperature is regulated.
die richtige Wechselwirkung zwischen Brennstoff, Oxydationsmittel und Elektrolyt wird an den Elektroden auftreten. Die Druckregelung ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.the correct interaction between fuel, oxidizer and electrolyte is made at the electrodes appear. The pressure control is not the subject of the present invention.
In dem Element läuft mehr Wasserstoff um, als 30 in dem Element benötigt wird. Der Überschuß an umlaufendem Wasserstoff nimmt einiges von dem Reaktionsprodukt des Elementes mit fort. Das Reaktionsprodukt ist Wasserdampf, der durch die Abdampfleitung 24 abgeführt wird. Der überschüssige 35 Es soll noch einmal klargestellt werden, daß der überWasserstoff und der Wasserdampf gehen durch einen schüssige Wasserstoff sowohl zur Kühlung des Brenn-Wärmeaustauscher 26 hindurch und anschließend über eine Leitung 28 zu einem Kühler 34. Aus dem Kühler, der dazu dient, den Wasserdampf zu kondensieren, gelangen die Verbrauchsprodukte über 40 eine Leitung 36 in einen Wasserabscheider 38. In diesem Abscheider wird das Wasser aus dem überschüssigen Wasserstoff herausgenommen und durch eine Leitung 40 abgelassen. Von dem Wasserabscheider strömt der überschüssige Wasserstofi durch eine 45 tet. Die Regelstufe wird diese höhere Ausgangsspan-Leitung 42 einer Pumpe 44 zu und von dort durch nung feststellen und das Ventil 52 so nachstellen, daß eine Leitung 46 zu einem Durchflußregelventil 48. Von dem Ventil 48 strömt der überschüssige Wasserstoff durch eine Leitung 50 einem weiteren Regelventil 52 zu und von dort durch eine Leitung 54 in 50 niedrigeren Temperatur eintritt und für eine stärkere die Versorgungsleitung 10. Von dem Durchflußregelventil 48 geht eine Nebenleitung 56 ab, die mit dei Leitung 28 oberhalb des Kühlers in Verbindung steht, so daß ein Teil des überschüssigen Wasserstoffes vonMore hydrogen circulates in the element than is needed in the element. The excess on Circulating hydrogen takes away some of the reaction product of the element. The reaction product is water vapor that is discharged through the exhaust line 24. The excess 35 It should be made clear once again that the excess hydrogen and the water vapor go through a schussige hydrogen both for cooling the combustion heat exchanger 26 through and then via a line 28 to a cooler 34. From the cooler, which serves to condense the water vapor, The consumable products reach a water separator 38 via a line 36. In this The water is taken out of the excess hydrogen and through a separator a line 40 drained. The excess hydrogen flows from the water separator through a 45 tet. The control stage becomes this higher output voltage line 42 to a pump 44 and from there through voltage and readjust the valve 52 so that a line 46 to a flow control valve 48. From the valve 48 the excess hydrogen flows through a line 50 to a further control valve 52 and from there through a line 54 in 50 lower temperature and for a higher temperature the supply line 10. From the flow control valve 48, a secondary line 56 goes off, which with dei Line 28 above the cooler is in communication, so that part of the excess hydrogen from
Stoffelementes, wie bereits oben festgestellt wurde, als auch zum Abführen des Wasserdampfes aus dem Element heraus verwendet wird, der sich während des Betriebs in dem Element ansammelt. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Brennstoffelementspannung höher als die gewünschte Spannung ist, wodurch angezeigt ist, daß das Brennstoffelement bei einer höheren Temperatur als der eingestellten arbei-Fabric element, as already stated above, as well as to remove the water vapor from the Element is used out, which accumulates in the element during operation. Let it be for example assuming that the fuel element voltage is higher than the desired voltage, which indicates that the fuel element is working at a higher temperature than the set
weniger überschüssiger Wasserstoff durch den Wärmeaustausch hindurchströmt, so daß der überschüssige Wasserstofi in die Versorgungsleitung 10 mit einerless excess hydrogen flows through the heat exchange, so that the excess Hydrogen in the supply line 10 with a
Kühlung des Elementes sorgen wird. Wenn die niedrigere Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes die Elementtemperatur nicht ausreichend herabsetzt, um das Element wieder auf die gewünschteWill provide cooling of the element. When the lower temperature of the excess hydrogen the element temperature does not drop sufficiently to bring the element back to the desired level
dem Regelventil 48 in die Leitung 56 hinein umge- 55 Ausgangsspannung zurück einzustellen, wird auch leitet werden und anschließend wieder zurück in den das Ventil 48 nachgestellt werden, und zwar so, daß Kühler strömen kann. die Menge des überschüssigen Wasserstoffes, derthe control valve 48 into the line 56 to adjust 55 the output voltage back, is also are directed and then back to the valve 48 are readjusted, in such a way that Can flow cooler. the amount of excess hydrogen that
Eine Umgehungsleitung 58 führt von der Leitung durch die Leitung 56 dem Kühler wieder zugeführt 28 zu einem Kühlerumwegventil 60. Die Aufgabe des wird, abnimmt. Dadurch wird die Wasserstoffmenge Ventils 60 ist es, eine Regelung der Wirksamkeit des 60 vergrößert, die der Versorgungsleitung 10 wieder zugeführt wird. Dadurch wird eine zusätzliche Brennstoffelementkühlung erreicht. Die Ventile 48 und 52 sind mit der Regelstufe 64 durch entsprechende Leitungen 68 und 70 verbunden.A bypass line 58 leads from the line through line 56 and is fed back to the cooler 28 to a cooler bypass valve 60. The task of the will decrease. This will increase the amount of hydrogen Valve 60 is to regulate the effectiveness of the 60 enlarged, which is fed back to the supply line 10 will. Additional fuel element cooling is thereby achieved. The valves 48 and 52 are connected to the control stage 64 by corresponding lines 68 and 70.
Kühlers möglich zu machen. Dadurch wird die Kühlwirkung des Kühlers auf den überschüssigen Wasserstoff bestimmt.To make cooler possible. This will reduce the cooling effect of the cooler on the excess hydrogen certainly.
Das Regelventil 52 ist so eingerichtet, daß es nur einen Teil des Wasserstoffes der Leitung 54 zuführt
und den überschüssigen Wasserstoff über eine Leitung 62 dem Wärmeaustauscher 26 und von dort der
Leitung 54 zuführt.The control valve 52 is set up so that it supplies only part of the hydrogen to the line 54 and the excess hydrogen via a line 62 to the heat exchanger 26 and from there to the
Line 54 supplies.
Ganz ähnlich erfolgt die Nachstellung für eine Elementtemperatur, die niedriger als die erforderliche Temperatur zur Erzeugung der gewünschten Ausgangsspannung ist. Das Ventil 52 läßt zusätzlichenThe adjustment for an element temperature that is lower than the required one is carried out in a very similar manner Temperature to generate the desired output voltage. The valve 52 leaves additional
Wasserstoff durch den Wärmeaustauscher 26 hindurch. Dadurch wird die Temperatur des überschüssigen Wasserstoffes erhöht, der dem Brennstoffelement wieder zugeführt wird. Eine geringere Kühlung ist die Folge.Hydrogen through heat exchanger 26. This will reduce the temperature of the excess Increased hydrogen, which is fed back to the fuel element. Less cooling is the consequence.
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